介绍

数字设备在一系列不同的电压下工作。理想情况下，最好总是连接两个工作电压相等的设备。不幸的是，这并不总是可取的。有时候，5V系统需要实现在5V以外的电压范围内工作的外设。但是，根据其最大容差，将5V微控制器连接到工作在3.3V的1线设备可能对设备有害或相反。因此，将一个设备的输出电压转换为与另一个设备的输入电压相匹配是很重要的。这可以通过电平转换来实现。本应用笔记讨论了在两个电压之间“移位”的基本技术，以及如何使用两种电平移位器(分立电平移位器和IC电平移位器)将其应用于1线 系统。

水平变化

用最简单的术语来说，电平转换是一种允许两个不同工作电压系统之间兼容的技术。近年来，晶体管-晶体管逻辑(TTL)器件中最常见的三个电压电平是1.8V, 3.3V和5V。能够在这些级别之间“转换”是将所有类型的系统集成在一起的有用工具。

基本电平移位器

无论是使用分立元件还是集成电路，大多数电平移位器对开漏I/O端口使用相同的技术。图1显示了将一条双向母线从3.3V转换为5V，反之亦然的基本电平移位器的设计。

电平移位器由一个用于串行数据线I/O的离散n通道增强MOSFET和每侧一个上拉电阻组成。栅极(G)必须接在最低电源电压V(L)上，电源(S)接在“低压”侧的母线上，漏极(D)接在“高压”侧的母线上。许多mosfet的衬底内部已经与其源连接，否则它应该连接到外部。漏极(D)和衬底之间的二极管在MOSFET内部作为漏极和衬底的n-p结存在。通过在每条额外的线路上添加一个n沟道MOSFET，这种技术可以用于多条线路。

移电平操作的描述

为了理解逻辑换档器是如何工作的，在双向传输过程中有三种主要的状态需要考虑。

状态1 -没有设备将线路拉到低电平

在母线上没有任何向下拉的情况下，低压侧被其上拉电阻拉到3.3V。在这种情况下，MOSFET的V(GS)低于阈值电压，因为栅极和源都在3.3V，因此MOSFET不导通。这允许母线在较高的电压侧被其上拉电阻拉到5V。因此，两边都是高的，但在不同的电压水平。

状态2 - 3.3V系统将开路排水母线拉到低电平

随着母线上较低电压侧向下拉，MOSFET的源被拉低并留下高栅极。在这种情况下，MOSFET的V(GS)高于阈值电压并开始导通，也将高电压侧拉下。结果，双方都被拉低了。

状态3 - 5V系统将开路排水母线拉到低电平

由于母线上的高电压侧向下拉，MOSFET的漏极很低。在这种情况下，MOSFET的漏极衬底二极管开始导通，间接地将源极拉低。当这种情况发生时，MOSFET开始像状态2一样导通，结果将母线两侧拉低。

电平转换与1线

电平转换的伟大之处在于可以使用许多串行协议。1-Wire是一种串行协议，仅使用一条线进行通信就可以来回传输数据。然而，由于有大量的1-Wire设备可供选择，并非所有系统都是兼容的。幸运的是，有两种方法可以在任何1-Wire应用程序中实现电平转换器。

离散电平移位器

顾名思义，离散电平移位器完全由离散元件组成。它提供了一个快速和具有成本效益的解决方案，电平转换，因为所需的组件不难收集，非常便宜。离散电平移位器可以使用电平移位部分所述的相同设计来构建，但需要进行一些更改以适应典型的1线总线。通过将低压器件放置在n沟道MOSFET的源上，3.3V系统可以与任何其他系统集成，无论其工作在更高或更低的电压下，如图2和图3所示。

IC电平移位器

与离散电平移相器一样，集成电路电平移相器也使用电平移相一节所介绍的相同的电平移相技术，但它被集成在一个小芯片的外形中。由于具有慢速增强和高ESD保护等特性，IC电平变换器可以非常高效。

转换速率提高

串行通信协议，如1-Wire，可以在总线上承载一些容性负载，但是在数据开始失真之前，这些线路可以承载多少容性负载是有限制的。总线电容的任何增加，例如更长的总线线，都会增加上升时间，这可能导致1-Wire读取采样时间(t(MSR))收集错误的数据。由于MAX14591内部的慢速增强电路，我们可以加速逻辑状态转换，以保持快速的数据速率和更高的总线负载电容。

防静电保护

静电高压通常是由人与周围环境相互作用产生的。虽然MAX14591 V(CC) I/O引脚仅受±2kV人体模型(HBM)的保护，但其他电平转换ic，如MAX3394E，可以提供更高的ESD保护，最高可达15kV HBM。这在具有外露1线总线的应用中非常重要，该总线可能在连接点接收大型ESD事件。

与分立电平移相器一样，IC电平移相器也可以与使用不同工作范围的1线从设备一起使用。只需将低压系统连接到“V(L)”部分，如图4和图5所示。

机的改变

如图2到图5所示，1- wire设备的布线与图1等其他串行通信系统略有不同。无论使用何种电平转换器，在集成1线设备时，有一些事情值得考虑，以下三个步骤有助于确保正确的通信:

1. 与其他串行通信设备相反，1-Wire设备可以通过1-Wire总线寄生供电。这意味着并非所有1- wire设备都像图1中的系统那样具有自己的V(CC)引脚。为了使电平转换器正常工作，重要的是要为电平转换器的“低电压”侧提供3.3V的外部电压电源，如图2至图5所示。

2. 电平移位器的上拉电阻有时不能向1线器件提供必要的电流。因此，建议在1-Wire设备所在的一侧添加一个强上拉电阻，如图2至图5所示。当需要时，p沟道MOSFET由单独的开漏线驱动，激活强上拉，以帮助提供必要的电流。

3. 由于需要一个强大的上拉电阻，电平移位器需要一个额外的“通道”，其中驱动MOSFET的信号也可以电平移位。因此，需要增加一条公交线路。在分立电平移位器的情况下，这可以通过在额外的线路上添加一个n沟道MOSFET和两个电阻来实现，如图2至图3所示。

检查

一个简单的测试可以通过构造一个如图2所示的离散电平移位器来进行，它由一条母线组成。探测MOSFET的两侧有助于验证每侧的电压水平，当总线高时，它们被拉到相应的电压，当总线低时，它们被拉到0V，如图所示图6．测试结果不包括图2到图5中可选的强上拉电路。

设置

1. V(l) = 3.3v

2. V(cc) = 5v

3. CH1: 1-Wire master (DS9490R)

4. CH2: 1-线从机(DS2431)

5. 一个n沟道MOSFET

6. 两个2.2K电阻*

*并非所有1线设备使用相同的R(PUP)。请查看设备的数据手册中推荐的R(PUP)。

总结

电平转换的核心是一些简单的技术，所有这些技术都可以应用于许多类型的串行通信协议。通过查看电平移位的两种最常见的解决方案，可以很容易地将1线器件实现到在不同电压下工作的一系列系统中。分立电平移位器提供了一种快速和低成本的解决方案，而IC电平移位器则用于更基于性能的系统。IC电平转换器，如MAX14591，可以通过增加ESD保护，快速推挽支持等功能来提高电平转换效率。无论采用何种方法，遵循本应用说明中的接线步骤可以帮助将大多数1-Wire系统集成到多电压系统中。